从零写OS内核｜349：SPI 总线——高速串行通信

摘要：SPI 是比 I2C 更高速的串行总线，常见于 Flash 存储、显示屏、传感器等场景。本篇文章详解 SPI 的四种模式、协议时序、Linux spidev 驱动、以及它在 Flash 存储中的应用。

1. SPI 协议：四根线的全双工

1.1 信号线

SPI 有 4 根核心信号线（有时 CS 有多根）：

Bash
         Master                    Slave
        ┌──────┐                ┌──────┐
   CLK ─┤      ├────────────────┤      ├── CLK
  MOSI ─┤      ├────────────────┤      ├── MOSI (有时叫 SDO)
  MISO ─┤      │◄───────────────┤      ├── MISO (有时叫 SDI)
   CS ──┤      ├────────────────┤      ├── CS
        └──────┘                └──────┘
  • SCLK / CLK：时钟线，由 Master 产生
  • MOSI（Master Out Slave In）：主到从的数据线
  • MISO（Master In Slave Out）：从到主的数据线
  • CS / SS：片选线，可以有多根，每根选一个从设备

1.2 全双工 vs 半双工

SPI 是全双工：Master 发送 1 bit 的同时，Slave 返回 1 bit。所以 SPI 的实际吞吐量是时钟频率的 2 倍（每根数据线各传 1 bit per clock）。

Bash
Clock:   ─┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──┐  ┌──
          └──┘  └──┘  └──┘  └──┘  └──┘  └──┘  └──┘
MOSI:    ──[D7]──[D6]──[D5]──[D4]──[D3]──[D2]──[D1]──[D0]
          ↑    ↑    ↑    ↑    ↑    ↑    ↑    ↑
MISO:    ──[R7]──[R6]──[R5]──[R4]──[R3]──[R2]──[R1]──[R0]
          ↑    ↑    ↑    ↑    ↑    ↑    ↑    ↑
       MSB先发，每bit在clock上升沿或下降沿采样（可配置）

1.3 四种模式（Mode 0/1/2/3）

SPI 有 4 种模式，由两个参数决定：

模式 CPOL（时钟极性） CPHA（时钟相位） 空闲时钟 采样边沿
Mode 0 0 0 低 上升沿
Mode 1 0 1 低 下降沿
Mode 2 1 0 高 下降沿
Mode 3 1 1 高 上升沿

Bash
Mode 0 (CPOL=0, CPHA=0):
         SCLK: ____________/
               └──┘└──┘└──┘
          MOSI: ─[D7]──[D6]──
                      ↑ 采样（上升沿）
          MISO: ─[R7]──[R6]──

Mode 1 (CPOL=0, CPHA=1):
         SCLK: ____________/
               └──┘└──┘└──┘
          MOSI: ─[D7]──[D6]──
               ↑ 采样（下降沿）

不同从设备使用不同模式，必须查阅数据手册确认。常见误区是所有 SPI 设备都兼容 Mode 0，实际很多传感器偏好 Mode 3。

2. Flash 存储：SPI 的主场

2.1 NOR Flash vs NAND Flash

SPI Flash 通常是 NOR Flash——它支持 XIP（Execute In Place，直接在 Flash 上运行代码），而不是 NAND 的块设备模式。

Bash
典型 SPI Flash 芯片：Winbond W25Q128 (16MB)

命令集：
0x06  WREN        写使能
0x04  WRDI        写禁止
0x05  RDSR        读状态寄存器
0x01  WRSR         写状态寄存器
0x03  READ        读数据 (最大 50MHz)
0x0B  FAST_READ   快速读 (最大 104MHz，带 dummy bytes)
0x02  PAGE_PROG   页编程 (256 bytes)
0x20  SECTOR_ERASE 扇区擦除 (4KB)
0xD8  BLOCK_ERASE  块擦除 (64KB)
0xC7  CHIP_ERASE  整片擦除

2.2 读取 Flash 数据

Bash
# 用 flashrom 读取 SPI Flash
$ sudo flashrom -p linux_spi:dev=/dev/spidev0.0 -r backup.bin
$ sudo flashrom -p linux_spi:dev=/dev/spidev0.0 --flash-size
Found Winbond flash chip "W25Q128.V" (16384 kB, SPI) on linux_spi.

# 读取 ID
$ sudo flashrom -p linux_spi:dev=/dev/spidev0.0 --fmap -r /dev/null 2>&1 | head -5

2.3 读取状态寄存器

Bash
Master → Slave:
  字节1: 0x05 (READ_STATUS_REGISTER)
  字节2: (clock out) → 读取返回的状态值

状态寄存器格式:
  bit 0:  WIP  (Write In Progress) - 1=编程中
  bit 1:  WEL  (Write Enable Latch) - 1=写使能
  bit 2:  BP0  (Block Protection)   - 配合 BP1/BP2 保护区域
  bit 3:  BP1
  bit 4:  BP2
  bit 7:  SRP0

3. Linux spidev：用户态 SPI 设备

3.1 启用 spidev

在设备树中启用 spidev 或通过 sysfs：

Bash
$ ls /dev/spidev*
/dev/spidev0.0  /dev/spidev0.1  /dev/spidev1.0
# spidev{BUS}.{CS}，例如 spidev0.0 = SPI bus 0, CS 0

通过设备树注册 spidev 节点：

C
&spi0 {
    status = "okay";
    spidev@0 {
        compatible = "spidev";
        reg = <0>;
        spi-max-frequency = <10000000>;  // 10MHz
    };
};

3.2 用 spidev_test 测试

spidev 附带一个测试工具：

Bash
# 编译 spidev_test.c
$ gcc spidev_test.c -o spidev_test

# 发送一个字节（0x9F = 读 JEDEC ID）
$ sudo ./spidev_test -D /dev/spidev0.0 -v -p "9F"
spi mode: 0
bits per word: 8
max speed: 500000 Hz (500 KHz)

TX | 9F __ __ __ __ __ __ __ | 9F 00 00 00 00 00 00 00 |
RX | 00 00 00 00 00 00 00 00 00 | 00 EF 40 18 00 00 00 00 |
                       ↑ ↑ ↑
                   Winbond 0xEF
                   0x40 = W25Q128
                   0x18 = 128Mbit

返回 EF 40 18 就是 Winbond W25Q128 的 JEDEC ID。

3.3 用 Python 操作 spidev

Python
import spidev

spi = spidev.SpiDev()
spi.open(0, 0)  # bus 0, cs 0
spi.max_speed_hz = 10000000  # 10MHz
spi.mode = 0  # CPOL=0, CPHA=0

# 读 JEDEC ID
resp = spi.xfer2([0x9F, 0x00, 0x00, 0x00])
print(f"JEDEC: {resp[1]:02X} {resp[2]:02X} {resp[3]:02X}")
# 输出: EF 40 18

# 读 Flash ID 另一个方式
spi.xfer2([0x90, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00])  # Manufacture ID

# 读状态寄存器
status = spi.xfer2([0x05, 0x00])
print(f"Status: 0x{status[1]:02X}")

# 写使能
spi.xfer2([0x06])

spi.close()

4. Linux 内核 SPI 子系统

4.1 架构

Bash
用户空间 (spidev, 驱动)
    ↓
内核 SPI Core (spi.c, spidev.c)
    ↓
SPI Controller Driver (linux_spi, spi-pxa2xx, spi-imx, spi-qup...)
    ↓
硬件 SPI 控制器

4.2 注册 SPI 设备驱动

C
static int my_flash_probe(struct spi_device *spi) {
    dev_info(&spi->dev, "SPI Flash probed: %sn", dev_name(&spi->dev));
    // 设置最大速度
    spi->max_speed_hz = 10000000;
    spi->mode = SPI_MODE_0;
    spi_setup(spi);

    // 读 ID 验证
    u8 id[2];
    u8 cmd = 0x9F;
    spi_write_then_read(spi, &cmd, 1, id, 2);
    dev_info(&spi->dev, "JEDEC: %02X %02Xn", id[0], id[1]);

    return 0;
}

static const struct of_device_id my_flash_dt[] = {
    { .compatible = "winbond,w25q128" },
    { },
};

static struct spi_driver my_flash_driver = {
    .driver = {
        .name = "w25q128",
        .of_match_table = my_flash_dt,
    },
    .probe = my_flash_probe,
};

module_spi_driver(my_flash_driver);

5. I2C vs SPI 对比

特性 I2C SPI
线数 2 根 4+ 根
速率 100K-3.4M 几十 MHz
地址 总线共享（7/10位） 独立 CS
全双工 半双工 全双工
多主 支持 不支持
协议复杂度 高（有 ACK/NACK） 低（无协议层）
典型设备 传感器、RTC、EEPROM Flash、显示屏、ADC

6. wandos 对比：SPI 模拟

wandos 的 SPI 实现同样是 GPIO bit-banging（软件模拟），目前主要用于访问 SPI Flash 启动介质。在没有硬件 SPI 控制器的嵌入式平台上，这是唯一的选择。wandos 的 GPIO 输出速度限制了 SPI 速率，但足以支持低速 Flash 读取（1-10MHz）。

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💡 本文属于「从零写OS内核」系列，欢迎回顾：

  • 篇 348：《I2C 总线——嵌入式系统的血管》
  • 篇 347：《显示器——从 Framebuffer 到 GPU》
  • 篇 346：《键盘——按键是怎么变成字符的》

🔗 回复「SPI」获取 Linux spidev 完整示例代码

作者：内核栈 | 原创出品
本文永久链接：https://kernelstack.dev/349-spi

最后修改： 2024年5月1日

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